CN115232660B - 一种再制造成形层表面加工强化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种再制造成形层表面加工强化材料，由蛇纹石、凹凸棒石、硅灰石、硬脂酸、油酸、三乙醇胺、聚四氟乙烯、稀土化合物、硅藻土等原料，经混合、加热搅拌、冷却成型等步骤制备而成，可以应用于轴、瓦、孔、齿等各类磨损或接触疲劳工况零件表面金属或合金材质的再制造成形层的精密加工处理环节，在提高成形层表面加工精度和加工效率的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，提高再制造成形层的性能，实现成形层硬度、韧性、弹塑性等力学性能的加工强化。本发明还提供了一种再制造成形层表面加工强化材料的制备方法和应用。

Description

一种再制造成形层表面加工强化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于再制造加工技术领域，尤其涉及一种再制造成形层表面加工强化材料及其制备方法和应用。
背景技术
机械产品再制造通过各种表面涂层技术在零件损伤表面制备金属或合金成形层，恢复磨损或接触疲劳失效零件的表面尺寸与力学性能，从而恢复零件的质量特性与功能。采用激光熔覆、电弧堆焊、热喷涂、电沉积等涂层技术制备的各类再制造成形层的表面粗糙度通常较大，对于精密摩擦配合件而言，需要进一步采用车削或磨削加工使成形层表面精度达到摩擦副的配合要求。由于零件尺寸过大、受热易发生变形或易产生相变等原因，经过磨削和机械抛光后的再制造成形层一般不进行热处理或其他强化处理，导致零件表面的硬度、韧性等力学性能一经材料体系和成形工艺确定后，便无法进一步提升。
近年来，摩擦学领域有大量研究聚焦在将微纳米颗粒自修复材料分散到润滑油(脂)中，以润滑介质为载体将微纳米颗粒输送到机械零件摩擦表面，利用机械摩擦作用在摩擦表面原位生成一层具有超强润滑作用的自修复层，以补偿机械装备运行过程中零件表面产生的磨损，从而实现油(脂)润滑条件下机械零件磨损表面微观损伤的自修复。然而，上述自修复材料的研究和应用场合仅局限于机械设备使用和运行环节，应用对象限制在润滑工况下的机械摩擦副，且需要进行复杂的表面有机改性处理以解决微纳米颗粒自修复材料在润滑油脂中的分散稳定问题。高成本、工艺复杂以及工况局限等问题限制了自修复材料与技术的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种再制造成形层表面加工强化材料及其制备方法和应用，本发明提供的再制造成形层表面加工强化材料，可以应用于轴、孔、齿等各类磨损或接触疲劳工况零件表面金属或合金材质的再制造成形层的精密加工处理环节，在提高成形层表面加工精度和加工效率的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，实现修复层硬度、韧性等力学性能的加工强化，提高修复层的性能。
本发明提供了一种再制造成形层表面加工强化材料，由包括以下物料的原料制备得到：
40～60wt％的无机矿物混合物；
10～20wt％的硬脂酸；
1～3wt％的三乙醇胺；
10～20wt％的油酸；
5～15wt％的聚四氟乙烯；
1～3wt％的稀土化合物；
余量为硅藻土。
优选的，所述无机矿物混合物包括：
40～60wt％的蛇纹石；
10～15wt％的凹凸棒石；
30～45wt％的硅灰石。
优选的，所述蛇纹石的粒度为3～10μm，所述凹凸棒石的粒度为1～3μm，所述硅灰石粉的粒度为1～3μm。
优选的，所述硅灰石与凹凸棒石的质量比为(2～4):1。
优选的，所述稀土化合物为硼酸盐稀土。
优选的，所述稀土化合物选自硼酸镧、硼酸铈、硼酸钇中的一种或多种。
本发明提供了一种上述技术方案所述的再制造成形层表面加工强化材料的制备方法，包括：
将无机矿物混合物、硅藻土、聚四氟乙烯和稀土化合物进行第一混合，得到混合物；
将硬脂酸、油酸和三乙醇胺进行第二混合后加热熔化，得到混合液；
将所述混合物和混合液进行第三混合后冷却成型，得到再制造成形层表面加工强化材料。
优选的，所述第一混合在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速度为8～15r/min；所述第一混合的时间为12～24小时。
优选的，所述加热熔化的温度为110～130℃。
本发明提供了一种加工方法，包括：
将再制造成形层进行机械抛光或机械研磨；
所述机械抛光和/或机械研磨过程中采用上述技术方案所述的再制造成形层表面加工强化材料。
本发明将具有磨损自修复效应的微纳米材料与表面处理技术引入到机械零件制造和再制造环节，特别是对于因尺寸或热相变问题而无法进一步进行热处理或强化处理的再制造成形层精密加工过程，通过开发低成本、制备和使用工艺简单的加工再制造成形层表面加工强化材料与使用方法，在实现表面精密加工的同时，进一步提升成形层的表面力学性能，实现成形层的加工强化，有助于提高再制造机械零件的质量和性能。
本发明制备的再制造成形层加工再制造成形层表面加工强化材料，原料成本低，制备工艺简单，可以应用于轴、孔、齿等各类磨损或接触疲劳工况零件表面金属或合金材质的再制造成形层的精密加工处理环节，在提高成形层表面加工精度和加工效率的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，实现修复层硬度、韧性、弹塑性等力学性能的加工强化。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种再制造成形层表面加工强化材料，由包括以下物料的原料制备得到：
无机矿物混合物、油酸、硬脂酸、三乙醇胺、聚四氟乙烯、硅藻土、稀土化合物。
在本发明中，所述无机矿物混合物在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为40～60％，更优选为45～55％，最优选为50％。
在本发明中，所述无机矿物混合物包括：蛇纹石、凹凸棒石和硅灰石。
在本发明中，蛇纹石矿物粉末的作用有两方面，一是具有微抛光作用，实现对再制造成形层表面微凸体的去除，降低表面粗糙度；另一方面随着微抛光过程中自身粒径的细化，起到成形层表面摩擦强化作用，提高成形层的硬度和韧性等力学性能。蛇纹石的粒径对其抛光作用影响较大，当粒径小于3μm时的抛光作用不明显，当粒径大于10μm时容易在成形层表面产生微小划痕，影响加工质量。在本发明中，凹凸棒石主要起到成形层表面摩擦强化作用与固体润滑作用。在本发明中，硅灰石的作用一是起到微抛光作用，另外更主要的作用是与凹凸棒石矿物一起发挥协同增效作用，促进凹凸棒石的分解与摩擦化学反应，硅灰石与凹凸棒石的质量比例范围为2:1～4:1。
在本发明中，蛇纹石、凹凸棒石等的摩擦强化作用通过以下两方面起作用：一是在加工过程产生的摩擦高温作用下释放自身的活性含氧基团，通过与抛光表面的金属发生摩擦化学反应形成高硬度的氧化物；二是在摩擦产生的高温作用下自身发生脱水反应，形成大量表面钝化的氧化铝、氧化镁、氧化硅超细硬质颗粒，镶嵌到摩擦表面，使成形层粗糙度进一步降低的同时，表面硬度和韧性提高。
在本发明中，所述蛇纹石在无机矿物混合物中的质量含量优选为40～60％，更优选为45～55％，最优选为50％。在本发明中，所述硅灰石与凹凸棒石的质量优选为(2～4)：1，更优选为(2.5～3.5)：1，最优选为3：1。
在本发明中，所述蛇纹石优选为蛇纹石粉末，所述蛇纹石的粒度优选为3～10μm，更优选为5～8μm，最优选为6～7μm。
在本发明中，所述凹凸棒石在无机矿物混合物中的质量含量优选为10～15％，更优选为11～14％，最优选为12～13％。
在本发明中，所述凹凸棒石优选为凹凸棒石粉末，所述凹凸棒石的粒度优选为1～3μm，更优选为1.5～2.5μm，最优选为2μm。
在本发明中，所述硅灰石在无机矿物混合物中的质量含量优选为30～45％，更优选为35～40％，最优选为36～38％。
在本发明中，所述硅灰石优选为硅灰石粉末，所述硅灰石的粒度优选为1～3μm，更优选为1.5～2.5μm，最优选为2μm。
在本发明中，所述硬脂酸在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为10～20％，更优选为12～18％，最优选为14～16％。
在本发明中，硬脂酸的作用一是与三乙醇胺发生皂化反应，生成的皂化物质起到润滑和清洁成形层表面的作用，同时使材料易于固化成型；二是硬脂酸的羧基一端与无机矿物的表面发生物理和化学作用，同时借助另一端长链烷基的亲油性实现对无机矿物的表面改性，提高其分散性，从而改善加工再制造成形层表面加工强化材料的性能。
在本发明中，所述三乙醇胺在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为1～3％，更优选为1.5～2.5％，最优选为2％。
在本发明中，三乙醇胺的作用主要是与硬脂酸发生皂化反应。
在本发明中，所述油酸在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为10～20％，更优选为12～18％，最优选为14～16％。
在本发明中，油酸的作用主要是提供润滑，减少加工过程中对成形层的磨损，并降低摩擦。同时提高无机矿物粉末的吸附性，防止加工过程中粉末材料飞散污染。
在本发明中，所述聚四氟乙烯在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为5～15％，更优选为8～12％，最优选为10％。
在本发明中，聚四氟乙烯的作用主要是起到润滑作用，通过降低摩擦，减少加工强化过程中成形层的表面温度，通过聚四氟乙烯含量的变化实现对温度的调节，进而调节摩擦化学反应的速度和进程。摩擦化学反应主要受温度的影响，温度过低或过高均不利于摩擦化学反应进行。聚四氟乙烯含量过高，则润滑性好，摩擦产生的温度降低；反之，温度升高。因此，本发明中聚四氟乙烯含量为最佳含量范围。此外，油酸、皂化反应产物、硅藻土等也起到润滑作用及调节摩擦温度的作用。另外，在加工过程产生的高闪温和机械应力作用下，少量聚四氟乙烯形成磨粒，通过机械混合和摩擦烧结形成纳米杂化转移膜吸附在再制造成形层表面，从而进一步提高再制造成形层的减摩性能，改善材料韧性。
在本发明中，所述稀土化合物在再制造成形层表面加工强化材料中的质量含量优选为1～3％，更优选为1.5～2.5％，最优选为2％。
在本发明中，所述稀土化合物优选为硼酸盐稀土，更优选选自硼酸镧、硼酸铈、硼酸钇中的一种或多种。
在本发明中，所述稀土化合物的粒度优选≤3μm。
在本发明中，稀土化合物的作用是在成形层加工过程中，促进高速摩擦的成形层表面金属材料与无机矿物发生摩擦化学反应，并促进高温下硅酸盐矿物的脱水反应，促进成形层的表面强化过程。另外，硼酸盐稀土中的硼元素在摩擦过程中渗透到成形层表面，进一步提高成形层表面的硬度。
在本发明中，所述硅藻土的用量为再制造成形层表面加工强化材料中除无机矿物混合物、油酸、硬脂酸、三乙醇胺、聚四氟乙烯、稀土化合物后剩余的物质，再制造成形层表面加工强化材料的质量为100％，去除无机矿物混合物、油酸、硬脂酸、三乙醇胺、聚四氟乙烯、稀土化合物总的质量含量的余量为硅藻土。
在本发明中，所述硅藻土的粒径优选≤1μm。
在本发明中，硅藻土起到两方面的作用，一是其中含有的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等起到精密抛光的作用；二是起到一定的润滑作用。
本发明提供了一种上述技术方案所述的再制造成形层表面加工强化材料的制备方法，包括：
将无机矿物混合物、硅藻土、聚四氟乙烯和稀土化合物进行第一混合，得到混合物；
将硬脂酸、油酸和三乙醇胺进行第二混合后加热熔化，得到混合液；
将所述混合物和混合液进行第三混合后冷却成型，得到再制造成形层表面加工强化材料。
本发明提供了一种再制造成形层表面加工再制造成形层表面加工强化材料的制备方法，是以无机矿物混合物、油酸、硬脂酸、三乙醇胺、聚四氟乙烯、硅藻土、稀土化合物等原料，经混合、加热、搅拌、冷却、成型等步骤制备而成。
在本发明中，所述第一混合优选在三维混合机中进行；所述第一混合过程中的混合机主轴转速优选为8～15r/min，更优选为1～12r/min；所述第一混合的时间优选为12～24小时，更优选为15～20小时，最优选为16～18小时。
在本发明中，所述加热熔化的温度优选为110～130℃，更优选为115～125℃，最优选为120℃。
在本发明中，所述第三混合的温度优选为90～100℃，更优选为95℃；所述第三混合优选在搅拌的条件下进行；所述搅拌的时间优选为1～3小时，更优选为2小时。
在本发明中，所述冷却的温度优选为60～70℃，更优选为65℃；所述成型优选在模具中进行，自然冷却成型。
在本发明中，所述再制造成形层表面加工强化材料的制备方法优选包括：
按比例称取蛇纹石、凹凸棒石、硅灰石、硅藻土、聚四氟乙烯、稀土化合物等粉末，采用三维混合机进行长时间混合处理，混合机主轴转速8～15r/min，时间12～24小时。
按比例称量硬脂酸、油酸、三乙醇胺，混合后在110～130℃条件下加热熔化。
将上述熔化后的混合物冷却到90～100℃，向其中加入上述制备得到的蛇纹石、凹凸棒石、硅灰石、硅藻土、聚四氟乙烯、稀土化合物等粉末混合物，保持温度不变搅拌1～3小时。
将上述搅拌后得到的混合物冷却到60～70℃，倒入模具，自然冷却成型。
本发明提供了一种加工方法，包括：
将再制造成形层进行机械抛光或机械研磨；
所述机械抛光和/或机械研磨过程中采用上述技术方案所述的再制造成形层表面加工强化材料。
在本发明中，所述再制造形成层优选为采用激光熔覆、电弧堆焊、热喷涂、电沉积等涂层技术制备的各类再制造成形层，如采用多道激光熔覆316不锈钢得到的熔覆层。
本发明提供的成形层加工强化材料可应用于各类再制造成形层车削或磨削后的机械抛光或机械研磨环节，与抛光机、砂带机、抛光轮等配合使用。
在本发明中，所述在制造形成层表面加工强化材料的使用方法与常规的抛光材料(蜡材料)的使用方式相同，其可作为抛光材料使用，将其均匀涂覆在再制造形成层表面后进行抛光即可；优选应用于精磨后的再制造形成层的精密抛光处理；所述抛光优选采用抛光轮，所述抛光过程中的转速优选为2500～3000r/min，更优选为2600～2800r/min；所述抛光的时间优选为2～3min，更优选为2.5min；所述抛光过程中优选重复涂覆再制备形成层表面加工强化材料以及抛光的过程，优选重复3～5次，更优选为4次。
本发明制备的再制造成形层加工再制造成形层表面加工强化材料，原料成本低，制备工艺简单；可以应用于轴、孔、齿等各类磨损或接触疲劳工况零件表面金属或合金材质的再制造成形层的精密加工处理环节，在提高成形层表面加工精度和加工效率的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，实现修复层硬度、韧性、弹塑性等力学性能的加工强化。
实施例1
将20g微米蛇纹石、5g凹凸棒石、15g硅灰石、聚四氟乙烯10g、硼酸镧3g、硅藻土15g，采用三维混合机进行长时间混合处理，混合机主轴转速12r/min，时间15小时，得到粉末混合物；
称取15g硬脂酸、2g三乙醇胺、15g油酸，混合后在120℃条件下加热熔化；
将上述熔化后的混合物冷却到95℃，向其中加入上述制备得到的粉末混合物，保持温度不变搅拌2小时，将搅拌后的产物冷却到65℃，倒入模具，自然冷却成型，得到再制造成形层表面加工强化材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备得到再制造成形层表面加工强化材料，与实施例1的区别在于，采用20g微米蛇纹石、7.5g凹凸棒石、17.5g硅灰石，10g硅藻土，其余材料重量不变。
实施例3
按照实施例1的方法制备得到再制造成形层表面加工强化材料，与实施例1的区别在于，采用20g微米蛇纹石、10g凹凸棒石、20g硅灰石，5g硅藻土，其余材料重量不变。
实施例4
按照实施例1的方法制备得到再制造成形层表面加工强化材料，与实施例1的区别在于，采用5g聚四氟乙烯，20g硅藻土，其余材料重量不变。
实施例5
按照实施例1的方法制备得到再制造成形层表面加工强化材料，与实施例1的区别在于，采用15g聚四氟乙烯，5g硅藻土，其余材料重量不变。
性能检测
将实施例制备得到的再制造成形层表面加工强化材料采用与常规抛光蜡材料相同的使用方式，应用于精磨后的多道激光熔覆316不锈钢熔覆层样品的精密抛光加工处理，熔覆样品尺寸50mm×30mm×15mm，熔覆层表面为50mm×30mm的平面，成形层精磨后的原始粗糙度Ra＝0.062μm；将再制造成形层表面加工强化材料均匀涂抹在熔覆层表面，使用转速2800r/min抛光轮进行抛光，抛光时间2.5min，重复以上涂抹与抛光过程，反复4次完成抛光处理。
精密抛光加工后，采用三维形貌仪测试熔覆层表面粗糙度Ra值；采用纳米压痕仪对熔覆层表面进行力学性能测试，压痕测试控制最大压入深度为3μm，测试得到精密加工后修复层表面的压痕硬度和弹性模量；采用UMT-3型磨损试验机测试熔覆层耐磨性，采用球/盘接触的往复磨损形式，对偶球为直径4mm的GCr15钢球，载荷5N，往复行程2mm，往复频率5Hz，磨损时间30min，室温大气环境，干摩擦。
检测结果如下：
硬度、弹性模量、弹塑性和韧性是评估材料力学性能的重要指标，其中，材料硬度与弹性模量之比(H/E)称为塑性指数，代表材料抵抗弹性变形的能力，可用于表征涂层材料的耐磨性。H3/E2是衡量材料抗塑性变形能力的重要指标，它可以表征材料的韧性。可以看出，本发明制备的再制造成形层表面加工强化材料，在修复层精磨抛光环节应用，可使再制造修复层在获得高精度表面的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，实现修复层硬度、韧性等力学性能的加工强化，提高修复层的性能。磨损试验数据进一步表明，修复层的耐磨性大幅度提高，摩擦学性能得到改善。
本发明制备的再制造成形层加工再制造成形层表面加工强化材料，原料成本低，制备工艺简单；可以应用于轴、孔、齿等各类磨损或接触疲劳工况零件表面金属或合金材质的再制造成形层的精密加工处理环节，在提高成形层表面加工精度和加工效率的同时，通过材料中自修复成分与成形层表面的摩擦化学反应，实现修复层硬度、韧性、弹塑性等力学性能的加工强化。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (9)

1.一种再制造成形层表面加工强化材料，由包括以下物料的原料制备得到：
40~60wt%的无机矿物混合物；
10~20wt%的硬脂酸；
1~3wt%的三乙醇胺；
10~20wt%的油酸；
5~15wt%的聚四氟乙烯；
1~3wt%的稀土化合物；
余量为硅藻土；
所述无机矿物混合物包括：
40~60wt%的蛇纹石；
10~15wt%的凹凸棒石；
30~45wt%的硅灰石。
2.根据权利要求1所述的再制造成形层表面加工强化材料，其特征在于，所述蛇纹石的粒度为3~10μm，所述凹凸棒石的粒度为1~3μm，所述硅灰石的粒度为1~3μm。
3.根据权利要求1所述的再制造成形层表面加工强化材料，其特征在于，所述硅灰石与凹凸棒石的质量比为（2~4）: 1。
4.根据权利要求1所述的再制造成形层表面加工强化材料，其特征在于，所述稀土化合物为硼酸盐稀土。
5.根据权利要求4所述的再制造成形层表面加工强化材料，其特征在于，所述稀土化合物选自硼酸镧、硼酸铈、硼酸钇中的一种或多种。
6.一种权利要求1所述的再制造成形层表面加工强化材料的制备方法，包括：
将无机矿物混合物、硅藻土、聚四氟乙烯和稀土化合物进行第一混合，得到混合物；
将硬脂酸、油酸和三乙醇胺进行第二混合后加热熔化，得到混合液；
将所述混合物和混合液进行第三混合后冷却成型，得到再制造成形层表面加工强化材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一混合在搅拌的条件下进行；所述搅拌的速度为8~15r/min；所述第一混合的时间为12~24小时。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热熔化的温度为110~130℃。
9.一种加工方法，包括：
将再制造成形层进行机械抛光或机械研磨；
所述机械抛光和/或机械研磨过程中采用权利要求1所述的再制造成形层表面加工强化材料。
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